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Karl-Heinz Krause, Stefan Linke, Hans-Joachim Müller und Michael Mußlick
Simulationen weisen der Luft den Weg — die intelligente Stalllüftung
Lüftungsfi rmen werden von Landwirten beauftragt, einen Stall so einzurichten, dass die ange- strebte Tierzahl untergebracht werden kann. Man orientiert sich an der DIN 18910. Damit weiß man, welche Luftmengen durch den Stall zu bewegen sind, um Wärme- und Schadstoffl asten von innen nach draußen zu transportieren. Die Luftführung ist nicht weiter geregelt. Tabellen- werke geben Anhaltswerte z.B. über Luftstrahlverhalten etc. Es greifen Erfahrungen. Firmenin- tern lernt man dabei aus Fehlern und versucht, sie bei dem nächsten Landwirt zu vermeiden.
Dass es auch einen vorausschauenden Weg gibt, sich über die Strömungsabläufe im Stall durch Simulationen Kenntnis über das stallinterne Geschehen zu verschaffen, wird von fast allen Lüftungsfi rmen negiert. Bei jeder Stallauslegung sollte man aber dem Kunden, sprich Landwirt, sagen, was ihn erwartet. Hier führen Computersimulationen zu Lösungen. Dieser Weg wird sich langfristig zum Stand der Technik entwickeln. Nachfolgend wird eine Luftfüh- rungskonstellation bei einem Mastschweinestall beschrieben, die die Emissionen aus dem Stall reduziert und das Tierwohlbefi nden nachhaltig steigert.
Schlüsselwörter
Stallklima, Luftführung, Emissionsverhalten, Ammoniakkon- zentrationen, Simulationen
Keywords
stall climate, air guidance, emission behaviour, ammonia con- centration, simulations
Abstract
Krause, Karl-Heinz; Linke, Stefan; Müller, Hans-Joachim;
Mußlick, Michael
Simulations show air the way to go — the intelligent stall ventilation
Landtechnik 64 (2009), no 1, pp. 54 - 56, 6 fi gures, 6 re- ferences
In Germany the DIN 18910 determines the volume rate of ani-mal houses but not the air guidance.In order to reduce ammonia emission fi lter techniques are propagated. The lack of space at a great piggery was the reason to develop a new partial underfl oor suction with an additional small fi lter in con- trast to the conven-tional complete fi ltering of the exhaust air.
S
trömungssimulationen dienen als Grundlage zur Be- schreibung des Emissionsgeschehens in einem Stall mit den entsprechenden Auswirkungen nach draußen.Mag es auch kompliziert sein, so lassen sich doch Aussagen zum Verbleib von luftgetragenen Stoffen treffen. Es interes- sieren Ammoniak, Geruchsstoffe, Keime und Staub. In den Simulationen wird aus messtechnischen Gründen ausschließ- lich auf Ammoniak abgehoben. Wenn man weiß, wie sich Am- moniak im Stall verteilt, dann kann man auch konstruktiv Einfl uss auf die Ammoniak- und Geruchsverteilung nehmen [1].
Erklärtes Ziel: Geruchs- und Ammoniakreduzierung Die Umfeldsituation bei einer großen Tierhaltungsanlage in
Nordhausen (Thüringen), siehe Bild 1, erfordert die Reduzie- rung von Geruchsimmissionen. Zwei Lösungswege bestehen:
einmal die Minderung der Stofffreisetzungen aus der Anlage, siehe Bild 2, zum anderen die Verdünnung der Ableitung der Fortluft über hochgezogene Quellen. Derzeit wird das zweite Konzept verfolgt. Das erste Konzept ist inzwischen an ande- ren Anlagen zum Einsatz gebracht worden: Emissionsminde- rung durch eine gefi lterte partielle Unterfl urabsaugung [2].
Mit einer Teilstromabsaugung in der Größenordnung der Winterluftrate wird ein Minderungsgrad an Ammoniakemis- sionen erreicht, der je nach Lüftungsauslegung bis zu 40 % und mehr betragen kann.
Absicherung von Erkenntnissen
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Stalllüftungskonzepte potenzieren sich an Großanlagen der Tierhaltung zwangs- läufi g in einem größeren Ausmaß als an Einzelanlagen auf einem Bauernhof herkömmlicher Prägung. Die Sorge um Fehlinvestitionen erklärt die Bereitschaft, weiterführende Untersuchungen an Groß- anlagen eher in Angriff zu nehmen als an Einzelbetrieben. Die Stallphysik bleibt da- von unberührt. Sie ist dieselbe.
Wenn man zu neuen Erkenntnissen kommen will, muss man Veränderungen an Stallsystemen vornehmen und ihre Auswirkungen messtechnisch erfassen.
„Nur wer misst, ist der Wahrheit auf der Spur.“ Messungen im Bereich der Tierhal- tung sind allerdings nicht ganz unproble- matisch, da die Randbedingungen sehr
„unsauber“ sind. Wie in [3] veröffentlicht, gelingt der direkte messtechnische Nach-
weis, dass z.B. die Emissionen von der Tiermasse abhängen, nur mit einer Sicherheit bis zu 80 %. Wenn man nun weit differenzierte Aussagen zum Emissionsverhalten in einem Stall treffen will, muss man sich allerdings die Frage gefallen lassen, wie aussagekräftig die Punktmessungen vor Ort im Originalsystem sind.
Es liegt nahe, auf physikalische Modelle in verkleinertem Maßstab überzugehen. Im Labor hat man das Emissionsge- schehen besser „im Griff“ als vor Ort, Man kann eher fl ächen- deckende Aussagen treffen, siehe Bild 3, z.B. im Hinblick auf Ammoniakkonzentrationen in einem Stallquerschnitt. Man kommt zu allgemeinen Aussagen, die im Originalstall kaum zu gewinnen sind. Es lassen sich Verhaltensmuster aufzeigen, Bild 4, die zum Allgemeinverständnis des Emissionsgesche- hens beitragen [4]. Hier ist beispielhaft gezeigt, wie bei einer Oberfl urabsaugung Partikel zum Abluftschacht gelangen. Mit der Maßstabsverkleinerung sind allerdings Einschränkungen im Hinblick auf die Ähnlichkeitsmechanik verbunden [5].
Anders ist es bei der dritten Form der Erfassung der physi- kalischen Abläufe, und zwar der numerischen Darstellung der Strömungsabläufe, bei der die Restriktionen in der Aufl ö- sung des Strömungsraumes liegen. Mit den numerischen Si- mulationen kann man die Untersuchungsergebnisse im ver- kleinerten physikalischen Modell „nachfahren“ und auch die Messergebnisse im Originalstall. Was heißt das nun? Wenn die Numerik in der Lage ist, in welcher Stallgröße auch immer, die vorgegebenen Geschehnisse abzubilden (in Bild 5 und Bild 6 werden die Modellversuche mittels numerischer Simulati- onen überprüft), dann kann sie auch vorhersagen, was bei be- stimmten Veränderungen vor Ort geschehen wird. Das bedeu- tet, dass die numerische Simulationstechnik ein konstruktives Mittel ist, Stallauslegungen vorzunehmen. Die numerische Strömungsmechanik muss sich nicht selbst beweisen, son- dern die Stallauslegungen durch Lüftungsfi rmen nach ihren individuellen Konzepten müssen sich einer generellen Über- prüfung nach den angestrebten Zielen Umweltschutz, Tierge- sundheit und Energieeffi zienz unterwer- fen. Hier muss ein Umdenken ansetzen.
Handlungsanweisung für die Praxis Jede Tierhaltungsanlage, ob neu gep- lant oder verändert, sollte grundsätzlich auf ihre Auswirkungen im Hinblick auf die Umwelt und den Tierschutz a priori überprüft werden [6]. Dabei stehen die Stalllüftungskonzepte im Vordergrund, schließlich bestimmt die Lüftung über 24 Stunden am Tag die Stofffreisetzungen im Stall.
Lüftungsfi rmen sind hier besonders gefordert, sich umzustellen. Der Hinweis, dass etwas schon immer so gemacht wor- Modellstall im Maßstab 1:20. Zu sehen
sind die Absaugschläuche für Ammoniak oberhalb des Spaltenbodens.
Fig. 3: Model stable on the scale of 1:20. To be seen are the suction tubes for ammonia above the slatted fl oor.
Abb 3
Laserlichtschnitt von Rauchgas, das durch die Porendecke zum Abluftschacht (violet- ter Pfeil) gesaugt wird.
Fig. 4: Laser light cut of the smoke gas sucked through the pore ceiling into the (purple arrow) the off-gas duct.
Abb. 4
Satellitenaufnahme des Stallkomplexes.
Großfl ächige Abluftfi lter sind wegen der geringen Stallabstände nicht möglich. Eine maßgeschneiderte Lösung ist gefragt.
Fig. 1: Satellite picture of the stall complex.
Big area fi lters cannot be used because of the low distances between the single stalls. A specially taylored solution is to be searched.
Abb. 1
Blick in den Untersuchungsstall der van Asten Tierzucht längs des Futterganges.
Fig. 2: View into the stable of investigation of the van Asten Tierzucht along the feed- way.
Abb. 2
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den ist, reicht im Hinblick auf die heutige globale Situation und die Anforderungen vor Ort nicht aus. Man muss nach- weisen können, was sich durch die eigenen Maßnahmen ent- wickeln wird.
Zusammenfassung
Die internationalen Vereinbarungen zur Reduzierung von Ammoniakemissionen aus der Tierhaltung lassen sich re- alisieren, wenn man z.B. die Luftführungskonzepte in der Tierhaltung ändert. Das Anhängen von Filteranlagen an die Tierhaltung gehört nicht zu den intelligenten Lösungen der Stalllüftung. In der Schweinemast lassen sich Emissionen allein durch die Luftführungskonzepte im Stall um mehr als das geforderte Maß mindern.
Wenn man mit partiellen Unterfl urabsaugungen mit nach- gehängter Filtertechnik arbeitet, stellt sich die Frage, inwie- fern die Schweinehaltung gegenüber der Rinder- und Gefl ügel- haltung als Lückenbüßer zur Emissionsminderung herhalten muss, völlig neu. In vielen Landkreisen von Niedersachsen z.B. werden Schweinemastanlagen mit Komplettfi lteranlagen zur Emissionsminderung überzogen, wobei der Tierschutz nur noch eine untergeordnete Rolle spielt. In der Tat ist es so, dass gerade in der Gefl ügelhaltung strömungsmechanische Konzepte zur Minderung der Emissionen ausgeklammert werden, obschon hier die höchsten Luftaustauschraten ge- fahren werden.
Literatur
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tion einer raumlufttechnischen Anlage für einen Schweinemaststall mit 2000 Tierplätzen zwecks Optimierung wichtiger Stallklimafak- toren und Minimierung von Ammoniakfreisetzungen. In: Hoch C (ed) 7. Tagung Bau, Technik und Umwelt in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung 2005 : 1.-3. März 2005 in Braunschweig. Münster- Hiltrup : KTBL-Schriftenvertrieb im Landwirtschaftsverlag, pp 289-294.
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Autoren
Dr.-Ing. Karl-Heinz Krause, wissenschaftlicher, Stefan Linke tech- nischer Mitarbeiter im von Thünen-Institut (vTI), Bundesforschungsin- stitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei , Institut für Agrartech- nologie und Biosystemtechnik (Leiter: Prof. Dr.-Ing. A. Munack und Prof. Dr. K.-D. Vorlop), 38116 Braunschweig, Bundesallee 50; e-mail:
karlheinz.krause@vti.bund.de bzw. stefan.linke@vti.bund.de.
Dr.-Ing. Hans-Joachim Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Leibniz-Institute für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB), Max-Eyth- Allee 100, 14469 Potsdam, e-mail, hmueller@atb-potsdam.de Dr. Michael Mußlick, Thüringer Ministerium für Landwirtschaft, Naturschutz und Umwelt, Beethovenstraße 03, 99096 Erfurt, e-mail:
michael.musslick@tmlnu.thueringen.de Frischluft (weißer Pfeil) bewegt sich von der Stalldecke in Stromröh-
ren durch den Stallraum. Sie wird über eine Porendecke in den Stall gesaugt (Oberfl urabsaugung) und über einen Ventilator zentral nach draußen verblasen (violetter Pfeil), siehe Bild 4.
Fig. 5: Fresh air (white arrow) moves from the stall ceiling through the stall room in streamtubes. It is sucked through the pore ceiling into the stall (over fl oor suction) and is thrown out by a central venti- lator (purple arrow), compare fi gure 4.
Abb. 5
Zu der Oberfl urabsaugung (85 %) tritt eine Unterfl urabsaugung (15 %) hinzu. Partikel gelangen wegen der gleichgerichteten Luftströmung vermehrt an den Randzonen (kleiner Pfeil) in den Unterfl urbereich als unterhalb der Ventilatoren. Die Unterfl urabsau- gung erfolgt durch einen zentralen Unterfl urkanal.
Fig. 6: To the suction over fl oor (85 %) an under fl oor suction (15 %) is added. Particles reach the under fl oor area much more at the border zones (little arrow) than underneath the ventilator. The under fl oor suction occurs by a central under fl oor channel.
Abb. 6
